JP2014049591A - Electron beam pumped light source - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電子線励起型光源装置に関するものであり、特に、電子線源から放射された電子線によって励起されて発光する半導体発光素子を備えた電子線励起型光源装置に係わるものである。 The present invention relates to an electron beam excitation light source device, and particularly to an electron beam excitation light source device including a semiconductor light emitting element that emits light when excited by an electron beam emitted from an electron beam source.
従来、このような電子線励起型光源装置としては、特開平09−214027号公報(特許文献1)や特許第3667188号公報(特許文献2)で開示されるように、電子線源から放出された電子を、該電子線源と半導体発光素子との間に印加された加速電圧によって加速して電子線を形成し、この電子線を半導体発光素子に入射させることによって、半導体発光素子を励起して光を放射する構成が採用されている。 Conventionally, as such an electron beam excitation type light source device, it is emitted from an electron beam source as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-214027 (Patent Document 1) and Japanese Patent No. 3667188 (Patent Document 2). The electrons are accelerated by an acceleration voltage applied between the electron beam source and the semiconductor light emitting device to form an electron beam, and the semiconductor light emitting device is excited by causing the electron beam to enter the semiconductor light emitting device. The structure which radiates light is adopted.
図10に、特許文献1の概略構成が示されており、ガラス製の真空容器70内に電子線源71と半導体発光素子72とを備え、前記半導体発光素子72において、前記電子線源71からの電子線がその上面72aに入射され、該半導体発光素子72内で発光した光は該入射表面72aから放射されて、真空容器70外に放出されるものである。
また、図11に、特許文献2の概略構成が示されており、ガラス製の真空容器80内に、電子線源81と半導体発光素子82とが対向するように設けられており、前記半導体発光素子82において、前記電子線源81と対向する一表面82aに電子線が照射され、その入射表面82aとは反対側の表面から光が放射されて、真空容器80外に放出されるものである。
FIG. 10 shows a schematic configuration of
Further, FIG. 11 shows a schematic configuration of
近年、このような電子線励起型光源装置は、小型で出力の高い紫外線を放射する光源装置として期待されており、具体的には、数Wクラスの高い出力が得られる小型のものが求められている。このため、電子線励起型光源装置は、半導体発光素子から発光を効率よく取り出す構造であることが望まれる。しかしながら、それにはまだ課題がある。
具体的に説明すると、半導体発光素子に電子線を照射すると、当該半導体発光素子の表面が電子線で帯電を起こすため、発光が不安定になったり、信頼性が低下したりするといった問題がある。
In recent years, such an electron beam excitation type light source device has been expected as a light source device that emits ultraviolet light with a small size and high output, and specifically, a small size device capable of obtaining a high output of several W class is required. ing. For this reason, the electron beam excitation type light source device is desired to have a structure for efficiently extracting light emission from the semiconductor light emitting element. However, it still has challenges.
More specifically, when a semiconductor light emitting element is irradiated with an electron beam, the surface of the semiconductor light emitting element is charged with the electron beam, which causes problems such as unstable light emission and reduced reliability. .
かかる問題に対しては、特許文献1および特許文献2等に開示されるものにおいては、半導体発光素子表面に金属膜(すなわち導電性膜)を形成し、当該素子の面の外部に電荷をリークする構成とすることで解消しようとしている。しかしながらそうした場合、電子線のエネルギーの一部がこの導電性膜に吸収されるという好ましくない事象が不可避的に生じるために、結局、出力を上げることができないという別の問題が発生することになる。
また、この導電性膜によるエネルギーの吸収分を補うためには、電子の加速電圧を高く設定しなければならないが、その場合は、装置内での放電やX線の外部への漏洩を防止するための対策を講じなければならず、装置が大型になってしまって、小型化の要請と逆行してしまうことになる。
With respect to such a problem, in those disclosed in
In order to compensate for the energy absorption by the conductive film, the electron acceleration voltage must be set high. In this case, discharge in the apparatus and leakage of X-rays to the outside are prevented. Therefore, it is necessary to take measures for this, and the apparatus becomes large, which is contrary to the demand for miniaturization.
また、特許文献1或いは特許文献2に記載の技術では、金属膜が共振器構造を形成するための反射鏡として構成されているものの、これによる効果は限定的である。すなわち、自然放出光を利用する場合は、導電性膜を半導体発光素子の表面に形成すると当該素子からの発光が遮光され、取り出すことができないため、このような導電性膜の構成では、発光を効率よく取り出すという課題の根本的な解決にはなっていない。
Moreover, in the technique described in
この発明が解決しようとする課題は、基板上に発光層が形成された半導体発光素子に電子線源から放射された電子線を照射して、該半導体発光素子を励起して発光させる電子線励起型光源において、半導体発光素子の帯電を抑制できて、高い効率で光を放射することができる構造を提供するものである。 The problem to be solved by the present invention is to excite an electron beam emitted from an electron beam source by irradiating a semiconductor light emitting device having a light emitting layer formed on a substrate to excite the semiconductor light emitting device. The present invention provides a structure that can suppress charging of a semiconductor light emitting element and emit light with high efficiency in a mold light source.
上記課題を解決するために、この発明に係る電子線励起型光源においては、前記電子線源が、前記半導体発光素子の光放射面に対して側方から電子線を照射するように配置され、前記半導体発光素子は、基板上に電子線入射方向に対して直交方向に延在する複数の突条部を備えてなり、該突条部は、一対のテーパー面を有し、前記電子線源側の電子が入射するテーパー面に発光層を備えるとともに、前記電子線源とは反対側のテーパー面に帯電防止膜を備えたことを特徴とする。
また、前記突条部は、該突条部の延在方向に直交する方向の断面が三角形状であることを特徴とする。
また、前記帯電防止膜は、アルミニウムの層で形成されていることを特徴とする。
In order to solve the above problems, in the electron beam excitation light source according to the present invention, the electron beam source is arranged to irradiate an electron beam from the side with respect to the light emitting surface of the semiconductor light emitting element, The semiconductor light emitting device includes a plurality of protrusions extending on a substrate in a direction orthogonal to an electron beam incident direction, the protrusions having a pair of tapered surfaces, and the electron beam source A light emitting layer is provided on the tapered surface on which the electrons on the side are incident, and an antistatic film is provided on the tapered surface opposite to the electron beam source.
Further, the ridge is characterized in that a cross section in a direction orthogonal to the extending direction of the ridge is triangular.
The antistatic film is formed of an aluminum layer.
本発明の電子線励起型光源によれば、基板に突条部が形成されているので、半導体発光素子内での全反射による光の閉じ込めがなく、発光層表面から効率良く光が放射される。
また、突条部の断面形状が三角形状であることで、電子線源側に形成されたテーパー面の全域で電子線を入射させることができ、その入射面積を大きくすることができる。
更には、突条部の電子線源とは反対にあって電子線入射には寄与しない側のテーパー面に帯電防止膜を設けたので、電子線入射を何等阻害することなく半導体発光素子の帯電を防止でき、更に、この帯電防止膜をアルミニウムの層で構成することにより、発光層で発生した光を反射して、この反射光が発光層から取り出されるので、放射光の高出力化に寄与するものである。
According to the electron beam excitation light source of the present invention, since the protrusion is formed on the substrate, there is no light confinement due to total reflection in the semiconductor light emitting device, and light is efficiently emitted from the surface of the light emitting layer. .
Moreover, since the cross-sectional shape of the protrusion is triangular, the electron beam can be incident on the entire tapered surface formed on the electron beam source side, and the incident area can be increased.
Furthermore, since the antistatic film is provided on the tapered surface on the side opposite to the electron beam source of the ridge and does not contribute to the electron beam incidence, the semiconductor light emitting device can be charged without obstructing the electron beam incidence. Furthermore, the antistatic film is made of an aluminum layer, so that the light generated in the light-emitting layer is reflected and the reflected light is extracted from the light-emitting layer, contributing to higher output of radiated light. To do.
図1、2に本発明の電子線励起型光源装置1の全体構成が示されている。
図において、この電子線励起型光源装置1は、内部が負圧の状態で密閉された外形が直方体状の真空容器10を備え、この真空容器10は、上面に開口を有する容器本体11と、この容器本体11の開口に配置されて当該容器本体11に気密に封着された光透過窓12とによって構成されている。
真空容器10における容器本体11を構成する材料としては、石英ガラス等のガラス、アルミナ等のセラミックスなどの絶縁物を用いることができる。
また、真空容器10における光透過窓12を構成する材料としては、半導体発光素子からの光を透過し得るものが用いられ、例えば石英ガラス、サファイアなどを用いることができる。
また、真空容器10の内部の圧力は、例えば10−4〜10−6Paである。
真空容器10の寸法の一例を挙げると、容器本体11の外形の寸法が40mm×40mm×20mm、容器本体11の肉厚が2mm、容器本体11の開口が36mm×36mmで、光透過窓12の寸法が40mm×40mm×2mmである。
1 and 2 show the overall configuration of the electron beam excitation
In the figure, the electron beam excitation type
As a material constituting the container main body 11 in the
Moreover, as a material which comprises the
Moreover, the pressure inside the
An example of the dimensions of the
真空容器10内には、容器本体11の底壁11a上に半導体発光素子20が設置されていて、該半導体発光素子20の上面20aが光透過窓12から離間してこれに対向するよう配置されていて、この上面20aが光放射面として機能する。
一方、容器本体11の側壁11bには、電子線源30が固定されている。この電子線源30は、ベース31と、このベース31上に形成された支持基板32と、この支持基板32上に形成された電子放出部33と、更に、支持基板32と電子放出部33とは絶縁層34を介して前方(電子放出側)に配置された引出し電極35とから構成される。この電子線源30の引出し電極35の前方には電子線集束用電極36が配置され、電子放出部33からの電子を集束して電子線として、半導体発光素子20に指向する。
前記電子放出部33は、多数のカーボンナノチューブが、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、クロムのいずれかを含む金属材料よりなる支持基板31上に支持されることによって形成されている。
かかる構成の電子線源30は、容器本体11の側壁11bに取り付けられることにより、その電子放出部32が、容器本体11における対向する他方の側壁に向いた形態で配置されている。この配置構造により、電子線源30からの電子線は、底壁11a上の半導体発光素子20の光放射面20aに対して側方から電子線を照射する配置関係になる。
In the
On the other hand, an
The
The
図3、4に半導体発光素子20の構造が示されていて、基板21上には複数の突条部22、22が直線的に延在して形成されている。該突条部22は、図4に示されるように、その延在方向に直交する方向での断面形状が三角形状であって、その表面である2つのテーパー面22a、22bの表層には、当該テーパー面に沿って発光層23が形成されている。
そして、この突条部22の一方のテーパー面22bには、発光層23上に帯電防止膜24が形成されている。
これにより、突条部22の一方のテーパー面22aは発光層23が露出し、他方のテーパー面22bには帯電防止膜24が形成された状態となる。
3 and 4 show the structure of the semiconductor
An
As a result, the
このように形成された半導体発光素子20は、図2で示されるように、真空容器10内で、上面の突条部22の延在方向が、電子線源30からの電子線に対して直交するように配置される。そして、この半導体発光素子20の突条部22の発光層23が露出したテーパー面22aが前記電子線源30側に対向する位置に配置され、帯電防止膜24を設けたテーパー面22bがそれと反対側に位置するように配置されるものである。
As shown in FIG. 2, the semiconductor
図5には、このような導体発光素子20を構成する基材26が示されていて、該基材26は、例えばサファイアよりなる平板状の基板21と、その上面に積層された、例えばAlNよりなる複数のバッファ層25とからなる。このバッファ層25は直線状に延在して、その断面形状が三角形状をなし、2つのテーパー面25a、25bを有している。このバッファ層25が前述の突条部22を構成し、その2つのテーパー面25a、25bが、それぞれ突条部22のテーパー面22a、22bを構成する。
そして、図4に示されるように、上記構成の基材26におけるバッファ層25(突条部22)のテーパー面25a、25b(突条部22のテーパー面22a、22b)上に発光層23が形成されるとともに、これらのうちの一方のテーパー面25b(テーパー面22b)では発光層23上に帯電防止膜24が積層形成されるものである。
FIG. 5 shows a
And as FIG. 4 shows, the
このような構成の半導体発光素子20は、図6に示すように、例えばMOCVD法(有機金属気相成長法)によって形成することができる。
具体的には、先ず、図6(A)に示すように、サファイアよりなる基板21材料の(0001)面上に、フォトリソグラフィー法およびリアクティブイオンエッチング法(RIE法)によって複数の直線状の溝27を所定の間隔で並列に形成する。
次いで、図6(B)に示すように、基板21における複数の溝27が形成されてなる一面に、MOCVD法により、水素および窒素からなるキャリアガスと、トリメチルアルミニウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用いて気相成長させることによって、基板21の溝27の底部27aおよび溝間部21aの各々に、所定の厚みを有するAlNからなる断面が直方体形状のバッファ層下部分25cを形成する。
その後、図6(C)に示すように、処理温度、V/III比および処理圧力などの気相成長条件を調整することにより、前記バッファ層下部分25c上に、AlNからなり、2つのテーパー面25a、25bを有する断面三角形状のバッファ層上部分25dを形成する。これにより、バッファ層下部分25cとバッファ層上部分25dとからなるバッファ層25が得られる。
The semiconductor
Specifically, first, as shown in FIG. 6A, a plurality of linear shapes are formed on the (0001) surface of the
Next, as shown in FIG. 6B, a carrier gas composed of hydrogen and nitrogen and a source gas composed of trimethylaluminum and ammonia are formed on one surface of the
Thereafter, as shown in FIG. 6C, by adjusting the vapor phase growth conditions such as the processing temperature, the V / III ratio, and the processing pressure, the buffer layer lower portion 25c is made of AlN and has two tapers. A buffer layer upper portion 25d having a triangular cross section having the
こうして基板21上に形成されたバッファ層25におけるテーパー面25a、25b上に、MOCVD法により、水素ガスおよび窒素ガスからなるキャリアガスと、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムおよびアンモニアからなる原料ガスとを用いて気相成長させることにより、所定の厚みを有するInxAlyGa1−x−yN(0≦x<1,0<y≦1,x+y≦1)からなる単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する発光層23を形成し、図4に示すような半導体発光素子20を形成することができる。
ここに、InAlGaNよりなる量子井戸層を形成する場合には、原料ガスとして、上記のものに加えてトリメチルインジウムを用い、処理温度をAlGaNよりなる量子井戸層を形成する場合よりも低く設定すればよい。
On the
Here, when forming a quantum well layer made of InAlGaN, trimethylindium is used as a source gas in addition to the above, and the processing temperature is set lower than when forming a quantum well layer made of AlGaN. Good.
前述の発光層23および帯電防止膜24についてさらに詳述すると以下の通りである。
図7(A)(B)に示されるように、前述のようにして得られた半導体発光素子20の突条部22(バッファ層25)のテーパー面22a、22b(テーパー面25a、25b)に形成される発光層23は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造であり、単一または複数の量子井戸層28と単一または複数の障壁層29とが、突条部22(バッファ層25)上にこの順で交互に積層されて構成されている。すなわち、突条部22には、当該突条部22におけるテーパー面22a、22b上に、当該テーパー面に対して垂直な方向に、量子井戸層28と障壁層29とがこの順で交互に積層されることによって量子井戸構造が形成され、これによって発光層23が形成されているものである。
量子井戸層28の各々の厚みは、例えば0.5〜50nmである。また、障壁層29はその禁制帯幅が量子井戸層28のそれよりも大きくなるように組成を選択され、一例としては、AlNを用いればよく、各々の厚みは量子井戸層の井戸幅より大きく設定され、具体的には、例えば1〜100nmである。
また、発光層23を構成する量子井戸層28の周期は、量子井戸層、障壁層および発光層全体の厚みや、用いられる電子線の加速電圧などを考慮して適宜設定されるが、通常、1〜100である。
The
As shown in FIGS. 7A and 7B, the
The thickness of each
The period of the
このような半導体発光素子20の具体的数値例を挙げると、基板21はサファイアよりなり、その厚みは、60μmであり、また該基板21に形成されている溝27は、溝深さが1μm、溝幅が3μm、互いに隣接する溝27の離間距離が3μmである。また、バッファ層25は、AlNよりなり、その厚みは、突条部22を構成するバッファ層上部分25dの厚み(突条部の高さ)が2.5μm、バッファ層下部分25cの厚みが600nmである。また、発光層23は、厚みが500nmのAlGaN層よりなる。
When a specific numerical example of such a semiconductor
このようにして形成された発光層23の上に、選択的に帯電防止膜24が形成される。
即ち、帯電防止膜24は、電子線源30より放出された電子線が入射されないテーパー面22b、つまり、電子線源30とは反対側に位置される特定のテーパー面22b上に形成される。この帯電防止膜24は、突条部22の長さ方向に電気的に連続して形成されてさえいればよく、特定のテーパー面22bの全域に形成されることは必須ではなく、一部であっても良い。
半導体発光素子20は、真空容器10の内部から外部に引き出された導電線(不図示)を介して、該真空容器10の外部に設けられた、加速電圧を印加するための電子加速用電源(図示せず)の正極側に電気的に接続される。帯電防止膜24も半導体発光素子20と同様に該導電線に電気的に接続されている。
このように、突条部22の一方のテーパー面22bには、発光層23上に帯電防止膜24が積層され、これが電子加速用電圧電源に接続されていることにより、電子線源30に対向するテーパー面20a上の発光層23の表面に電荷が過剰に帯電することがなく、該発光層23における発光を阻害することが抑制される。
An
That is, the
The semiconductor
As described above, the
この帯電防止膜24は、例えば、以下の手順で作製することができる。
1.斜め蒸着(スパッタ)による方法:
基材21の突条部22のテーパー面22a、22b上に発光層23を全体に形成した後、一方のテーパー面22b上に真空蒸着装置やスパッタ装置で、例えば100nmのAlのアルミニウムの膜を形成する。
このとき、アルミニウムを蒸着(又はスパッタ)する際に、帯電防止膜24を形成する突条部22のテーパー面22bを、蒸着(スパッタ)源と平行になるように半導体発光素子20を配置する。
これにより、アルミニウムの膜が優先的に一方のテーパー面22bに形成されるため、比較的簡便に、帯電防止膜24としてのアルミニウム膜が得られる。
2.光リソグラフィーによる方法:
直線状の突条部22を形成した半導体発光素子20に光リソグラフィー法により所望の寸法および形状のマスクを作製する。
例えば、6μm周期で形成された断面形状が三角形状の突条部22に対して、周期6μm幅3μmの開口を持ったマスクを形成し、複数の突条部22の同一側のテーパー面22bに帯電防止膜24を形成するようにする。
続いて、真空蒸着装置やスパッタ装置で帯電防止膜24を所定の厚さまで形成する。具体的には、アルミニウム膜を100nmの厚さで形成する。
The
1. Method by oblique deposition (sputtering):
After the
At this time, when aluminum is vapor-deposited (or sputtered), the semiconductor
As a result, an aluminum film is preferentially formed on one tapered
2. Optical lithography method:
A mask having a desired size and shape is produced by photolithography on the semiconductor
For example, a mask having an opening with a period of 6 μm and a width of 3 μm is formed on the
Subsequently, the
なお、上記実施例では、突条部22の断面形状が三角形状のものを説明したが、これに限られず、図8に示すように、その断面形状が台形状であってもよい。
また、図1のものでは、半導体発光素子20は真空容器10内で水平に配置されたものを示したが、図9に示すように、その光放射面20aが、側方の電子線源30の方に向かうように若干傾斜するように配置されていても良い。
更には、図1、2に示す電子線励起型光源装置1では、電子線源30に対して一つの半導体発光素子20を配置した例を示したが、一つの電子線源30に対して複数の半導体発光素子20が配置されていてもよく、更には、電子線源30と半導体発光素子20の組み合わせを一つの容器10内に複数配設してもよい。
そして、これらの場合、複数個の半導体発光素子20の帯電防止膜24は電位が共通に接続されていることが好適である。
In the above embodiment, the
In FIG. 1, the semiconductor
Furthermore, in the electron beam excitation
In these cases, the
以上説明したように、本発明の電子線励起型光源は、電子線源が、半導体発光素子の光放射面に対して側方から電子線を照射するように配置され、前記半導体発光素子は、基板上に電子線入射方向に対して直交方向に延在する複数の突条部を備えてなり、該突条部は、一対のテーパー面を有し、前記電子線源側の電子が入射するテーパー面に発光層を備えるとともに、前記電子線源とは反対側のテーパー面に帯電防止膜を備えたことにより、半導体発光素子内での全反射による光の閉じ込めがなく、発光層表面から効率良く光が放射されるという効果を奏する。
また、突条部が一対のテーパー面を有するので、電子線源側に形成されたテーパー面の全域で電子線を入射させることができ、その入射面積を大きくすることができる。
更には、突条部の電子線源とは反対にあって電子線入射には寄与しない側のテーパー面に帯電防止膜を設けたので、電子線入射を何等阻害することなく半導体発光素子の帯電を防止できる。
加えて、この帯電防止膜をアルミニウムの層で構成することにより、発光層で発生した光を反射して、この反射光が発光層から取り出されるので、放射光の高出力化に寄与するものである。
As described above, the electron beam excitation light source of the present invention is arranged such that the electron beam source irradiates the electron beam from the side with respect to the light emitting surface of the semiconductor light emitting device, A plurality of protrusions extending in a direction orthogonal to the electron beam incident direction are provided on the substrate, the protrusions have a pair of tapered surfaces, and electrons on the electron beam source side are incident thereon. Equipped with a light emitting layer on the taper surface and an antistatic film on the taper surface opposite to the electron beam source, there is no confinement of light due to total reflection in the semiconductor light emitting device, and efficiency from the surface of the light emitting layer There is an effect that light is emitted well.
Further, since the protrusion has a pair of tapered surfaces, the electron beam can be incident on the entire tapered surface formed on the electron beam source side, and the incident area can be increased.
Furthermore, since the antistatic film is provided on the tapered surface on the side opposite to the electron beam source of the ridge and does not contribute to the electron beam incidence, the semiconductor light emitting device can be charged without obstructing the electron beam incidence. Can be prevented.
In addition, by constituting this antistatic film with an aluminum layer, the light generated in the light emitting layer is reflected and the reflected light is extracted from the light emitting layer, which contributes to higher output of radiated light. is there.
1 電子線励起型光源
10 真空容器
11 容器本体
11a 底壁
11b 側壁
12 光透過窓
20 半導体発光素子
20a 光放射面(上面)
21 基板
22 突条部
22a、22b テーパー面
23 発光層
24 帯電防止膜
25 バッファ層
25a、25b テーパー面
26 基材
30 電子線源
DESCRIPTION OF
21
Claims (3)
前記真空容器内部において、表面が前記光透過窓に対向するよう配置された半導体発光素子と、
該半導体発光素子に電子線を照射する電子線源と、
を備えてなる電子線励起型光源装置において、
前記電子線源が、前記半導体発光素子の光放射面に対して側方から電子線を照射するように配置され、
前記半導体発光素子は、基板上に電子線入射方向に対して直交方向に延在する複数の突条部を備えてなり、
該突条部は、一対のテーパー面を有し、前記電子線源側の電子が入射するテーパー面に発光層を備えるとともに、前記電子線源とは反対側のテーパー面に帯電防止膜を備えたことを特徴とする電子線励起型光源装置。 A vacuum vessel having a light transmission window;
Inside the vacuum vessel, a semiconductor light emitting element disposed so that the surface faces the light transmission window;
An electron beam source for irradiating the semiconductor light emitting device with an electron beam;
In an electron beam excitation light source device comprising:
The electron beam source is arranged so as to irradiate an electron beam from the side with respect to the light emitting surface of the semiconductor light emitting device,
The semiconductor light emitting device comprises a plurality of protrusions extending on the substrate in a direction orthogonal to the electron beam incident direction,
The protrusion has a pair of tapered surfaces, and includes a light emitting layer on a tapered surface on which electrons on the electron beam source side are incident, and an antistatic film on a tapered surface opposite to the electron beam source. An electron beam excitation type light source device characterized by that.
The electron beam excitation type light source device according to claim 1, wherein the antistatic film is formed of an aluminum layer.
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